JP2013156091A - Method for measuring linear elastic modulus, and linear elastic modulus measuring apparatus - Google Patents

Method for measuring linear elastic modulus, and linear elastic modulus measuring apparatus Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for measuring a linear elastic modulus capable of reducing influences of disturbance such as vibration and electrical noise and, even when damping due to viscosity stress is high, capable of highly accurately and stably measuring the linear elastic modulus of a linear elastic body, and provide a linear elastic modulus measuring apparatus.SOLUTION: A linear elastic modulus measuring apparatus 100 computes a vibration velocity dx/dt of a vibrating body 1 from displacement of the vibrating body 1 that has been placed in contact with a linear elastic body, multiplies the dx/dt by a linear velocity feedback gain Gto generate a feedback control signal Fs and applies force Fv proportional to the vibration velocity of the vibrating body 1 to the vibrating body 1 using the Fs to cause the vibrating body 1 to undergo self-excited vibration. A linear elastic modulus kof the linear elastic body is computed from a frequency fwhen self-excited vibration of the vibrating body 1 is detected and a mass (M) of the vibrating body 1.

Description

本発明は、線形弾性体の弾性率を測定する技術に係り、特に、弾性力とともに粘性応力が発生する力学系において、粘性応力によるダンピングの影響を低減するのに有効な線形弾性率の測定方法及び線形弾性率測定装置に関するものである。   The present invention relates to a technique for measuring the elastic modulus of a linear elastic body, and in particular, in a dynamic system in which a viscous stress is generated together with an elastic force, a linear elastic modulus measuring method effective for reducing the influence of damping due to the viscous stress. And a linear elastic modulus measuring apparatus.

従来、線形弾性体の弾性率を測定する方法として、弾性体に静的なひずみを与えて応力を測定し弾性率を算出する方法や、線形弾性体に強制的に振動を与えて、共振周波数から弾性率を算出する方法が知られている。これらの測定方法については、例えば、非特許文献1に記載されている。   Conventionally, the elastic modulus of a linear elastic body is measured by applying a static strain to the elastic body and calculating the elastic modulus by measuring the stress, or by forcing the linear elastic body to vibrate and resonance frequency. A method of calculating the elastic modulus from the above is known. About these measuring methods, it describes in the nonpatent literature 1, for example.

「IIC REVIEW/2010/4. No.43 P30-34(株式会社IHI検査計測)」"IIC REVIEW / 2010/4. No.43 P30-34 (IHI Inspection and Measurement Co., Ltd.)"

上記従来技術のうち、弾性体に静的なひずみを与えて応力を測定し弾性率を算出する方法は、振動や電気ノイズなどの外乱に影響を受けやすく、高精度かつ安定な測定を実現するのは困難であった。特に、粘弾性体には、適用が困難であった。
また、強制的に振動を与えて、共振周波数から弾性率を算出する方法は、特に、粘性応力によるダンピングが大きい場合に、共振周波数近傍のパワースペクトルが広がってピークがあいまいになったり、ピーク自体が生じなかったりして、共振周波数を精度よく決定することが困難であった。
本発明は、線形弾性体の弾性率を測定する方法における上記の問題点を解決し、振動や電気ノイズなどの外乱の影響が少なく、粘性応力によるダンピングが大きい場合でも高精度かつ安定な線形弾性率を測定することが可能な線形弾性率の測定方法及び線形弾性率測定装置を提供することを目的とする。
Among the above-mentioned conventional technologies, the method of measuring the elastic modulus by applying a static strain to the elastic body is easily affected by disturbances such as vibration and electrical noise, and realizes highly accurate and stable measurement. It was difficult. In particular, it was difficult to apply to viscoelastic bodies.
In addition, the method of calculating the elastic modulus from the resonance frequency by forcibly applying vibrations is particularly ambiguous when the damping due to viscous stress is large. It has been difficult to accurately determine the resonance frequency.
The present invention solves the above-mentioned problems in the method of measuring the elastic modulus of a linear elastic body, is less affected by disturbances such as vibration and electrical noise, and is highly accurate and stable linear elasticity even when damping due to viscous stress is large. It is an object of the present invention to provide a linear elastic modulus measuring method and a linear elastic modulus measuring apparatus capable of measuring a modulus.

〔形態1〕 上記目的を達成するために、形態1の線形弾性率の測定方法は、測定対象物に接触させる振動体と、当該振動体を自励振動させるアクチュエータと、前記振動体の振動速度を検出する振動速度検出手段と、前記振動速度検出手段で検出される前記振動速度を正帰還して、
Fs=Glin・(dx/dt)
ただし、Fs:フィードバック制御信号
lin:正値である線形速度フィードバックゲイン
dx/dt:振動体の振動速度
で表されるフィードバック制御信号により前記アクチュエータをフィードバック制御するフィードバック制御手段と、を含む線形弾性率測定装置を用いた線形弾性率の測定方法であって、前記フィードバック制御における前記線形速度フィードバックゲインを変化させるステップと、前記振動体が自励振動したか否かを検出するステップと、
前記振動体が自励振動したことを検出したときの振動周波数に基づき、前記測定対象物の線形弾性率を算出するステップと、を含むことを特徴としている。
[Mode 1] In order to achieve the above object, a linear elastic modulus measurement method according to mode 1 includes a vibrating body that is brought into contact with an object to be measured, an actuator that self-excites the vibrating body, and a vibration speed of the vibrating body. The vibration speed detection means for detecting the vibration speed positively feedback the vibration speed detected by the vibration speed detection means,
Fs = G lin · (dx / dt)
Where Fs: feedback control signal
G lin : Positive linear velocity feedback gain
dx / dt: feedback control means for feedback-controlling the actuator by a feedback control signal expressed by a vibration speed of a vibrating body, and a linear elastic modulus measuring method using a linear elastic modulus measuring device, Changing the linear velocity feedback gain in the control; detecting whether the vibrator is self-excited; and
Calculating a linear elastic modulus of the object to be measured based on a vibration frequency when it is detected that the vibrating body is self-excited.

〔形態2〕 さらに、形態2の線形弾性率の測定方法は、形態1の構成に対して、前記線形弾性率を算出するステップにおいて、前記振動体の質量をM、前記振動体の振動周波数をfsとしたとき、前記測定対象物の線形弾性率klinを、
lin=ωs 2×M
ただし、ωs:2π×fs
から算出し、前記振動周波数fsとして前記振動体が自励振動したことを検出したときの振動周波数を適用することを特徴としている。
[Embodiment 2] Furthermore, in the method for measuring the linear elastic modulus of the embodiment 2, in the step of calculating the linear elastic modulus for the configuration of the embodiment 1, the mass of the vibrating body is M, and the vibration frequency of the vibrating body is When f s , the linear elastic modulus k lin of the measurement object is
k lin = ω s 2 × M
However, ω s : 2π × f s
And the vibration frequency when it is detected that the vibration body has self-excited vibration is applied as the vibration frequency f s .

〔形態3〕 さらに、形態3の線形弾性率の測定方法は、形態1又は2の構成に対して、前記線形弾性率測定装置は、前記振動体の変位xを検出する変位検出手段を備え、前記振動体が自励振動を開始したときの初期段階における前記変位xが、前記変位検出手段の検出下限値を下回るときに、前記振動体を一定の周波数で予備振動させるステップを含むことを特徴としている。   [Mode 3] Furthermore, in the linear elastic modulus measurement method according to mode 3, the linear elastic modulus measurement apparatus includes a displacement detection unit that detects the displacement x of the vibrating body, with respect to the configuration of mode 1 or 2. Including pre-vibrating the vibrating body at a constant frequency when the displacement x in an initial stage when the vibrating body starts self-excited vibration is below a detection lower limit value of the displacement detecting means. It is said.

〔形態4〕 一方、上記目的を達成するために、形態4の線形弾性率測定装置は、測定対象物に接触させる振動体と、当該振動体を自励振動させるアクチュエータと、前記振動体の振動速度を検出する振動速度検出手段と、前記振動速度検出手段で検出される前記振動速度を正帰還して、
Fs=Glin・(dx/dt)
ただし、Fs:フィードバック制御信号
lin:正値である線形速度フィードバックゲイン
dx/dt:振動体の振動速度
で表されるフィードバック制御信号により前記アクチュエータをフィードバック制御するフィードバック制御手段と、前記フィードバック制御における前記線形速度フィードバックゲインを変化させるゲイン調整手段と、前記振動体が自励振動したか否かを検出する自励発振検出手段と、前記自励振動検出手段で前記振動体が自励振動したことを検出したと判定したときの振動周波数に基づき、前記測定対象物の線形弾性率を算出する線形弾性率算出手段と、を備えることを特徴としている。
[Mode 4] On the other hand, in order to achieve the above object, a linear elastic modulus measuring apparatus according to mode 4 includes a vibrating body that is brought into contact with a measurement object, an actuator that self-excites the vibrating body, and vibrations of the vibrating body. Vibration speed detection means for detecting speed, and positive feedback of the vibration speed detected by the vibration speed detection means,
Fs = G lin · (dx / dt)
Where Fs: feedback control signal
G lin : Positive linear velocity feedback gain
dx / dt: feedback control means for feedback-controlling the actuator by a feedback control signal represented by vibration speed of the vibration body, gain adjustment means for changing the linear speed feedback gain in the feedback control, and the vibration body Self-oscillation detecting means for detecting whether or not excitation vibration has occurred, and based on the vibration frequency when the self-excited vibration detection means determines that the vibration body has detected self-excited vibration. Linear elastic modulus calculating means for calculating the linear elastic modulus.

このような構成であれば、振動速度検出手段によって、振動体の振動速度dx/dtが検出され、フィードバック制御手段によって、検出された振動速度dx/dtに、線形速度フィードバックゲインGlinが乗算したフィードバック制御信号Fs=Glin・(dx/dt)により、アクチュエータがフィードバック制御される。アクチュエータがフィードバック制御されると、アクチュエータによって測定対象物に接触した振動体に振動体の振動速度に比例した力が与えられる。線形速度フィードバックゲインは、ゲイン調整手段によって変化させられ、一方、自励発振検出手段によって、振動体が自励振動したか否かが検出される。そして、自励発振検出手段によって自励振動したことが検出されると、線形弾性率算出手段によって、自励振動を検出時の振動周波数に基づき、測定対象物の線形弾性率が算出される。 With such a configuration, the vibration speed dx / dt of the vibrating body is detected by the vibration speed detection means, and the detected vibration speed dx / dt is multiplied by the linear speed feedback gain G lin by the feedback control means. The actuator is feedback controlled by the feedback control signal Fs = G lin · (dx / dt). When the actuator is feedback-controlled, a force proportional to the vibration speed of the vibrating body is applied to the vibrating body in contact with the measurement object by the actuator. The linear velocity feedback gain is changed by the gain adjusting means, and on the other hand, it is detected by the self-excited oscillation detecting means whether or not the vibrating body has self-excited. When the self-excited oscillation detecting means detects that the self-excited vibration is detected, the linear elastic modulus calculating means calculates the linear elastic modulus of the measurement object based on the vibration frequency at the time of detecting the self-excited vibration.

以上説明したように、本発明によれば、測定対象物に接触された振動体に対して当該振動体の振動速度に比例する力を与えて振動体を自励振動させ、自励振動したときの振動周波数に基づき測定対象物の線形弾性率を算出するようにした。これにより、測定対象物の粘性応力によるダンピングが大きい場合であっても、高精度かつ安定な線形弾性率を測定することが可能である。従って、本発明をレオメータなどに適用することで、粘稠な粘弾性体の弾性率を高精度に測定することが可能になる。また、例えば、内臓などの測定対象物の硬さを高精度に測定する装置を実現することも可能になる。   As described above, according to the present invention, when a vibrating body that is in contact with a measurement object is subjected to a force proportional to the vibration speed of the vibrating body to cause the vibrating body to self-excited and self-excited. The linear elastic modulus of the measurement object is calculated based on the vibration frequency. Thereby, even when the damping due to the viscous stress of the measurement object is large, it is possible to measure a highly accurate and stable linear elastic modulus. Therefore, by applying the present invention to a rheometer or the like, the elastic modulus of a viscous viscoelastic body can be measured with high accuracy. In addition, for example, it is possible to realize a device that measures the hardness of a measurement object such as an internal organ with high accuracy.

本発明の実施形態に係る線形弾性体と振動体とアクチュエータと変位センサとの関係を説明するための力学系の模式図である。It is a schematic diagram of the dynamic system for demonstrating the relationship between the linear elastic body which concerns on embodiment of this invention, a vibrating body, an actuator, and a displacement sensor. (a)は、従来の測定方法における粘性応力の異なる3種類の線形弾性体の周波数応答曲線の一例を示す図であり、(b)は、本発明の測定方法を用いた場合の周波数応答曲線の一例を示す図である。(A) is a figure which shows an example of the frequency response curve of three types of linear elastic bodies from which the viscous stress in the conventional measuring method differs, (b) is a frequency response curve at the time of using the measuring method of this invention. It is a figure which shows an example. 本発明の実施形態に係る線形弾性率測定装置の一例を示す概略構成図である。It is a schematic structure figure showing an example of a linear elastic modulus measuring device concerning an embodiment of the present invention. 線形弾性率測定処理の処理手順の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the process sequence of a linear elastic modulus measurement process. 測定対象物である薄膜材料に本実施形態の線形弾性率測定装置100を適用した場合の装置構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of an apparatus structure at the time of applying the linear elastic modulus measuring apparatus 100 of this embodiment to the thin film material which is a measuring object.

以下、図面に基づき、本発明に係る線形弾性率の測定方法及び線形弾性率測定装置の実施形態を説明する。図1〜図5は、本発明に係る線形弾性率の測定方法及び線形弾性率測定装置の一実施形態を示す図である。
(構成)
図1は、本発明の実施形態に係る線形弾性体と振動体とアクチュエータと変位センサとの関係を説明するための力学系の模式図である。
本実施形態の線形弾性率の測定方法は、線形弾性体に力を与えるためのアクチュエータと、変位を測定するための変位センサと、変位センサの信号を微分して力の出力に変換する変換回路と、振動周波数を測定する測定装置とを含む線形弾性率測定装置を用いる。
Hereinafter, embodiments of a linear elastic modulus measuring method and a linear elastic modulus measuring device according to the present invention will be described with reference to the drawings. 1 to 5 are diagrams showing an embodiment of a linear elastic modulus measuring method and a linear elastic modulus measuring apparatus according to the present invention.
(Constitution)
FIG. 1 is a schematic diagram of a dynamic system for explaining the relationship among a linear elastic body, a vibrating body, an actuator, and a displacement sensor according to an embodiment of the present invention.
The linear elastic modulus measurement method of the present embodiment includes an actuator for applying force to a linear elastic body, a displacement sensor for measuring displacement, and a conversion circuit for differentiating the signal of the displacement sensor and converting it into force output. And a linear elastic modulus measuring device including a measuring device for measuring the vibration frequency.

ここで、弾性と粘性とを併せ持つ線形弾性体は、ばねとダッシュポットをもつ力学系に置き換えることができる。このような力学系のモデルとして、ばねとダッシュポットとが直列に接続されたマクスウェルモデルと、ばねとダッシュポットとが並列に接続されたケルビン・フォークトモデルとが知られている。図1に示す例は、ケルビン・フォークトモデルを適用した例である。図1の力学モデルにおいて、測定対象物である線形弾性体は、線形弾性率klinのばねと、粘度Clinのダッシュポットとを並列接続した構成として表現される。 Here, the linear elastic body having both elasticity and viscosity can be replaced with a dynamic system having a spring and a dashpot. As a model of such a dynamic system, a Maxwell model in which a spring and a dashpot are connected in series and a Kelvin-Forked model in which a spring and a dashpot are connected in parallel are known. The example shown in FIG. 1 is an example in which the Kelvin-Forked model is applied. In the dynamic model of FIG. 1, the linear elastic body that is a measurement object is expressed as a configuration in which a spring having a linear elastic modulus k lin and a dashpot having a viscosity C lin are connected in parallel.

本実施形態では、この線形弾性体に対して、質量Mを有する振動体を介して力を与えることから、図1に示すように、線形弾性体を示すばねとダッシュポットとに、質量Mの振動体を接続した、ばね・マス(質量)・ダッシュポット系の力学モデルとして表現している。具体的に、線形弾性体に振動体を接触させ、この振動体に対してアクチュエータから力Fを加えて、振動体を変位(自励振動)させ、この振動体の変位を変位センサで検出する。例えば、振動体を介して線形弾性体にせん断方向(ずり変形方向)の力Fを加え、せん断方向の変位を検出する。
なお、ここで言う接触とは、測定対象物の物性などに応じて、例えば、測定対象物が半固体であれば振動体の一面を測定対象物に密着すること等が該当する。また、例えば、測定対象物が流体であれば例えばカンチレバー等の振動体を流体内に挿入すること等が該当する。
In the present embodiment, a force is applied to the linear elastic body via a vibrating body having a mass M, and therefore, as shown in FIG. It is expressed as a dynamic model of a spring, mass (mass), and dashpot system with vibrating bodies connected. Specifically, the vibrating body is brought into contact with the linear elastic body, and a force F is applied to the vibrating body from the actuator to displace the vibrating body (self-excited vibration), and the displacement of the vibrating body is detected by a displacement sensor. . For example, a force F in the shearing direction (shear deformation direction) is applied to the linear elastic body via the vibrating body, and the displacement in the shearing direction is detected.
The contact referred to here corresponds to, for example, close contact of the vibrating body with the measurement object if the measurement object is semi-solid, depending on the physical properties of the measurement object. For example, if the measurement object is a fluid, for example, inserting a vibrating body such as a cantilever into the fluid is applicable.

このような構成において、線形弾性体(厳密には振動体)に力Fを加えると、その変位は、下式(1)のような運動方程式に従う。
M(d2x/dt2)+clin(dx/dt)+klinx=F ・・・(1)
上式(1)においてMは振動体の質量、Clinは粘性項の比例係数、klinは線形弾性率、xは線形弾性体の変位(振動体の変位と同じ)である。本実施形態では、線形弾性体に、その運動速度に比例した力F(以下、Fvと称す)を与える。この場合、運動方程式は、下式(2)のようになる。
M(d2x/dt2)+clin(dx/dt)+klinx=Glin(dx/dt) ・・・(2)
In such a configuration, when a force F is applied to a linear elastic body (strictly, a vibrating body), the displacement follows a motion equation such as the following equation (1).
M (d 2 x / dt 2 ) + c lin (dx / dt) + k lin x = F (1)
In the above equation (1), M is the mass of the vibrating body, C lin is the proportional coefficient of the viscosity term, k lin is the linear elastic modulus, and x is the displacement of the linear elastic body (same as the displacement of the vibrating body). In this embodiment, a force F (hereinafter referred to as Fv) proportional to the motion speed is applied to the linear elastic body. In this case, the equation of motion is as shown in the following equation (2).
M (d 2 x / dt 2 ) + c lin (dx / dt) + k lin x = G lin (dx / dt) (2)

ここで、上式(2)のGlinは、入力する力と、速度の比例係数であり、以下、線形速度フィードバックゲインと呼ぶ。上式(2)の右辺を左辺へ移項すると、下式(3)のようになる。
M(d2x/dt2)+(clin−Glin)(dx/dt)+klinx=0
・・・(3)
線形速度フィードバックゲインGlinが粘性項の比例定数Clinよりも大きくなると、負の粘性項が生まれ、線形弾性体に自励発振が発生する。この際の振動角周波数は、下式(4)で表せる。
ωs=(klin/M)1/2 ・・・(4)
ここで、上式(4)のωsは自励発振によって発生した振動(自励振動)の角周波数である。上式(4)から、自励発振の振動角周波数ωsを測定できれば、上式(4)を変形した下式(5)によって線形弾性率klinを算出することができる。
lin=ωs 2×M ・・・(5)
Here, G lin in the above equation (2) is a proportional coefficient between input force and speed, and is hereinafter referred to as a linear speed feedback gain. When the right side of the above equation (2) is shifted to the left side, the following equation (3) is obtained.
M (d 2 x / dt 2 ) + (c lin −G lin ) (dx / dt) + k lin x = 0
... (3)
When the linear velocity feedback gain G lin becomes larger than the proportional constant C lin of the viscosity term, a negative viscosity term is generated, and self-oscillation occurs in the linear elastic body. The vibration angular frequency at this time can be expressed by the following equation (4).
ω s = (k lin / M) 1/2 (4)
Here, ω s in the above equation (4) is an angular frequency of vibration (self-excited vibration) generated by self-excited oscillation. If the vibration angular frequency ω s of self-excited oscillation can be measured from the above equation (4), the linear elastic modulus k lin can be calculated by the following equation (5) obtained by modifying the above equation (4).
k lin = ω s 2 × M (5)

次に、図2に基づき、共振法を用いた従来の測定方法の問題点を説明する。図2(a)は、従来の測定方法における粘性応力の異なる3種類の線形弾性体の周波数応答曲線の一例を示す図であり、(b)は、本発明の測定方法を用いた場合の周波数応答曲線の一例を示す図である。図2において、縦軸は線形弾性体の振幅、横軸は線形弾性体の振動角周波数である。   Next, problems of the conventional measurement method using the resonance method will be described with reference to FIG. FIG. 2A is a diagram showing an example of frequency response curves of three types of linear elastic bodies having different viscous stresses in the conventional measurement method, and FIG. 2B is a frequency when the measurement method of the present invention is used. It is a figure which shows an example of a response curve. In FIG. 2, the vertical axis represents the amplitude of the linear elastic body, and the horizontal axis represents the vibration angular frequency of the linear elastic body.

従来のように、正弦波状の強制加振力F=Fosinωt(ここで、Foは加振力の振幅)を、線形弾性体に与えると、線形弾性体はx=Asin(ωt+φ)のように、正弦波状に振動する。ここで、Aは変位の振幅、φは位相である。この振幅Aは強制加振力Fの角周波数に応じて、図2(a)のように変化する。この周波数応答曲線は、粘性応力の大きさによって異なる。粘性応力が小さい場合には、Q値が大きくなり、図2(a)の曲線CL1に示すように、周波数応答曲線は鋭いピークを持つ。このピークの角周波数ωoは、近似的にωo=(klin/M)1/2で計算でき、この式から線形弾性率klinを算出できる。しかし、粘性応力が大きくなると、その大きさに応じてQ値が小さくなり、近似が成り立たなくなる。その上、図2(a)の曲線CL2に示すように、ピークがなだらかになって、ピーク位置の判別が困難になる。さらに、粘性応力がより大きくなって、Q値がより小さくなると、粘性応力が過減衰の条件を超えてしまい、図2(a)の曲線CL3に示すように、ピーク自体が存在しなくなってしまう。 As in the prior art, when a sinusoidal forced excitation force F = Fosin ω t (where Fo is the amplitude of the excitation force) is given to the linear elastic body, the linear elastic body has x = A sin (ω t + φ). As shown in FIG. Here, A is the displacement amplitude, and φ is the phase. The amplitude A changes as shown in FIG. 2A according to the angular frequency of the forced excitation force F. This frequency response curve varies depending on the magnitude of the viscous stress. When the viscous stress is small, the Q value becomes large, and the frequency response curve has a sharp peak as shown by the curve CL1 in FIG. The angular frequency ω o of this peak can be approximately calculated by ω o = (k lin / M) 1/2 , and the linear elastic modulus k lin can be calculated from this equation. However, when the viscous stress is increased, the Q value is decreased according to the magnitude, and the approximation cannot be established. In addition, as indicated by a curve CL2 in FIG. 2A, the peak becomes gentle and it is difficult to determine the peak position. Further, when the viscous stress becomes larger and the Q value becomes smaller, the viscous stress exceeds the overdamping condition, and the peak itself does not exist as shown by the curve CL3 in FIG. .

一方、本発明の線形弾性率の測定方法では、線形弾性体に与える力Fを、線形弾性体の速度に比例させた力Fvとする。そのため、線形弾性体に自励発振が発生し、その角周波数は、上式(4)で示したように、ωs=(klin/M)1/2となる。これを周波数応答曲線で示すと、図2(b)に示すように、ωsのみに鋭いピークをもつ曲線となる。この曲線は粘性応力に依存しない。従って、粘性応力の大きさに影響されることなく、自励発振の角周波数ωsから、線形弾性率klinを測定することができる。 On the other hand, in the method for measuring the linear elastic modulus of the present invention, the force F applied to the linear elastic body is a force Fv proportional to the velocity of the linear elastic body. Therefore, self-oscillation occurs in the linear elastic body, and the angular frequency is ω s = (k lin / M) 1/2 as shown in the above equation (4). When this is represented by a frequency response curve, as shown in FIG. 2B, a curve having a sharp peak only at ω s is obtained. This curve is independent of viscous stress. Therefore, the linear elastic modulus k lin can be measured from the angular frequency ω s of self-excited oscillation without being affected by the magnitude of the viscous stress.

次に、図3に基づき、本実施形態に係る線形弾性率測定装置の概略構成を説明する。図3は、本実施形態に係る線形弾性率測定装置の一例を示す概略構成図である。
図3に示すように、本実施形態に係る線形弾性率測定装置100は、振動体1と、変位センサ2と、変位検出器3と、振動速度演算器4と、ゲイン調整手段5aと、増幅器5bと、アクチュエータ6と、ドライバ7と、周波数検出部8と、自励発振検出手段9と、演算器10とを含んで構成される。
Next, a schematic configuration of the linear elastic modulus measuring apparatus according to the present embodiment will be described based on FIG. FIG. 3 is a schematic configuration diagram illustrating an example of a linear elastic modulus measuring apparatus according to the present embodiment.
As shown in FIG. 3, the linear elastic modulus measuring apparatus 100 according to the present embodiment includes a vibrating body 1, a displacement sensor 2, a displacement detector 3, a vibration speed calculator 4, a gain adjusting means 5a, and an amplifier. 5b, the actuator 6, the driver 7, the frequency detection part 8, the self-excited oscillation detection means 9, and the calculator 10 are comprised.

振動体1は、半導体材料等から構成された質量Mを有する構造体であり、その材質や形状等は、測定対象となる線形弾性体の物性等によって異なる。また、線形弾性体の線形弾性率klinを測定時には、振動体1を線形弾性体に接触させる。線形弾性体が、例えばコーティング剤等の薄膜材料であれば、振動体1を断面矩形状の構造体(例えば、立方体)とし、その一面を薄膜上に密着させる。また、線形弾性体が流体であれば、振動体1を、例えば、カンチレバーのような片持ち梁の形状とし、その探針部分を流体内に挿入する。 The vibrating body 1 is a structure having a mass M made of a semiconductor material or the like, and the material, shape, and the like thereof vary depending on the physical properties of the linear elastic body to be measured. Further, when measuring the linear elastic modulus k lin of the linear elastic body, the vibrating body 1 is brought into contact with the linear elastic body. If the linear elastic body is a thin film material such as a coating agent, for example, the vibrating body 1 is a structure having a rectangular cross section (for example, a cube), and one surface thereof is brought into close contact with the thin film. If the linear elastic body is a fluid, the vibrating body 1 has a cantilever shape such as a cantilever, and the probe portion is inserted into the fluid.

変位センサ2は、振動体1の変位を検出するためのセンサであり、そのセンサ出力を変位検出器3に供給する。
変位検出器3は、変位センサ2からのセンサ出力に基づき、振動体1の変位xを検出し、検出した変位xを振動速度演算器4、周波数検出部8及び自励発振検出手段9にそれぞれ供給する。
なお、変位センサ2、又は変位センサ2及び変位検出器3の組み合わせとしては、例えば、静電容量変位センサ、エンコーダ、光学式変位計、ひずみゲージ等を用いることができる。
The displacement sensor 2 is a sensor for detecting the displacement of the vibrating body 1 and supplies the sensor output to the displacement detector 3.
The displacement detector 3 detects the displacement x of the vibrating body 1 based on the sensor output from the displacement sensor 2 and sends the detected displacement x to the vibration speed calculator 4, the frequency detector 8, and the self-excited oscillation detector 9. Supply.
In addition, as a combination of the displacement sensor 2 or the displacement sensor 2 and the displacement detector 3, a capacitance displacement sensor, an encoder, an optical displacement meter, a strain gauge, etc. can be used, for example.

振動速度演算器4は、微分器を含んで構成され、変位検出器3からの変位xを微分器で微分して振動体1の振動速度dx/dtを算出し、算出したdx/dtを増幅器5bに供給する。
ゲイン調整手段5aは、増幅器5bの線形速度フィードバックゲインGlinの初期値を設定すると共に、自励発振検出手段9からの自励発振していないと検出したことを示す信号(後述)に基づき増幅器5bのゲインGlinを変化させる。具体的に、自励発振検出手段9から自励発振していないと検出したことを示す信号を受信する毎に前回のゲインを予め設定されたΔgずつ増加(又は減少)する。このゲインの調整は、自励発振検出手段9によって、振動体1の自励発振が検出されるまで繰り返し行われる。
The vibration speed computing unit 4 includes a differentiator, calculates the vibration speed dx / dt of the vibrating body 1 by differentiating the displacement x from the displacement detector 3 with the differentiator, and the calculated dx / dt is an amplifier. 5b.
The gain adjusting means 5a sets an initial value of the linear velocity feedback gain G lin of the amplifier 5b, and based on a signal (described later) indicating that the self-excited oscillation is detected from the self-excited oscillation detecting means 9 The gain G lin of 5b is changed. Specifically, every time a signal indicating that no self-excited oscillation is detected is received from the self-excited oscillation detecting means 9, the previous gain is increased (or decreased) by a preset Δg. This gain adjustment is repeated until the self-excited oscillation of the vibrating body 1 is detected by the self-excited oscillation detecting means 9.

増幅器5bは、可変増幅器を含んで構成され、ゲイン調整手段5aによって設定された線形速度フィードバックゲインGlinと、振動速度演算器4から供給される振動速度dx/dtとを乗算する。そして、増幅器5bは、算出したGlin・dx/dtをフィードバック制御信号Fsとして、ドライバ7に供給する。
アクチュエータ6は、ドライバ7から供給される駆動信号に基づき、振動体1に当該振動体1の運動速度に比例した力Fvを与えるものである。アクチュエータ6としては、例えば、ピエゾ素子、ボイスコイルモータ、静電アクチュエータなどを用いることができる。
The amplifier 5b includes a variable amplifier, and multiplies the linear speed feedback gain G lin set by the gain adjusting means 5a by the vibration speed dx / dt supplied from the vibration speed calculator 4. Then, the amplifier 5b supplies the calculated G lin · dx / dt to the driver 7 as the feedback control signal Fs.
The actuator 6 applies a force Fv proportional to the motion speed of the vibrating body 1 to the vibrating body 1 based on the drive signal supplied from the driver 7. As the actuator 6, for example, a piezoelectric element, a voice coil motor, an electrostatic actuator, or the like can be used.

ドライバ7は、増幅器5bから供給されるフィードバック制御信号Fsに基づき、アクチュエータ6を、振動体1の運動速度に比例した力Fvを振動体1に与えるように駆動する駆動信号を生成し、生成した駆動信号をアクチュエータ6に供給する。例えば、フィードバック制御信号Fsを増幅してなる駆動信号をアクチュエータ6に供給する。
周波数検出部8は、変位検出器3から供給される振動体1の変位xに基づき、変位xからなる振動波形の周波数を検出する。そして、周波数検出部8は、検出した周波数fsを演算器10に供給する。
Based on the feedback control signal Fs supplied from the amplifier 5b, the driver 7 generates a drive signal that drives the actuator 6 so as to apply a force Fv proportional to the motion speed of the vibrating body 1 to the vibrating body 1. A drive signal is supplied to the actuator 6. For example, a drive signal obtained by amplifying the feedback control signal Fs is supplied to the actuator 6.
The frequency detector 8 detects the frequency of the vibration waveform composed of the displacement x based on the displacement x of the vibrating body 1 supplied from the displacement detector 3. Then, the frequency detection unit 8 supplies the detected frequency f s to the calculator 10.

なお、周波数検出部8として、例えば、周波数カウンタ、FFTアナライザ、スペクトラムアナライザ等を用いることができる。
自励発振検出手段9は、振動変位x(又は振動速度dx/dt、又は振動振幅の周波数スペクトル)に基づき、振動体1が自励発振しているか否かを検出する。自励発振検出手段9は、自励発振していると検出したときに、検出したことを示す信号を、ゲイン調整手段5a及び演算器10にそれぞれ供給する。
As the frequency detection unit 8, for example, a frequency counter, an FFT analyzer, a spectrum analyzer, or the like can be used.
The self-excited oscillation detecting means 9 detects whether or not the vibrator 1 is self-oscillating based on the vibration displacement x (or the vibration speed dx / dt or the frequency spectrum of the vibration amplitude). When the self-excited oscillation detecting means 9 detects that self-excited oscillation is occurring, the self-excited oscillation detecting means 9 supplies a signal indicating the detection to the gain adjusting means 5a and the computing unit 10, respectively.

一方、自励発振検出手段9は、自励発振していないと検出したときに、検出したことを示す信号を、ゲイン調整手段5aに供給する。
演算器10は、自励発振を検出したことを示す信号に応じて、自励発振検出時の周波数fs(以下、発振周波数fsと称す)と、予め設定された振動体1の質量Mとに基づき、上式(5)に従って、測定対象物の線形弾性率klinを演算する。具体的に、発振周波数fsに2πを乗算して発振角周波数ωsを演算する。さらに、発振角周波数ωsを2乗してωs 2を演算し、ωs 2に質量Mを乗算して、線形弾性率klinを演算する。
On the other hand, when detecting that the self-excited oscillation is not occurring, the self-excited oscillation detecting means 9 supplies a signal indicating the detection to the gain adjusting means 5a.
The computing unit 10 responds to a signal indicating that self-excited oscillation has been detected, a frequency f s at the time of detecting self-excited oscillation (hereinafter referred to as an oscillation frequency f s ), and a preset mass M of the vibrator 1. Based on the above, the linear elastic modulus k lin of the measurement object is calculated according to the above equation (5). Specifically, the oscillation angular frequency ω s is calculated by multiplying the oscillation frequency f s by 2π. Furthermore, it calculates the omega s 2 by squaring the oscillation angular frequency omega s, by multiplying the mass M to omega s 2, calculates the linear elastic modulus k lin.

なお、演算器10において、線形弾性率klinを演算する際に、ゲイン調整手段5aで、自励発振を検出時の線形速度フィードバックゲインGlinを、Glin+Δg2(Δg2は、予め設定した増加量)に調整する。さらに、増幅器5bからドライバ7に供給するフィードバック制御信号Fsを、(Glin+Δg2)・dx/dtに維持する。そして、周波数検出部8において、このときの振動変位xからなる振動波形の周波数fsを求め、演算器10において、このfsを用いて線形弾性率klinを演算するように構成してもよい。 When calculating the linear elastic modulus k lin in the calculator 10, the linear velocity feedback gain G lin at the time of detecting self-excited oscillation by the gain adjusting means 5 a is set to G lin + Δg 2 (Δg 2 is a preset increase) Adjust). Further, the feedback control signal Fs supplied from the amplifier 5b to the driver 7 is maintained at (G lin + Δg2) · dx / dt. Then, the frequency detector 8 may obtain the frequency f s of the vibration waveform composed of the vibration displacement x at this time, and the calculator 10 may calculate the linear elastic modulus k lin using this f s. Good.

また、本実施形態の線形弾性率測定装置100は、図示しないが、上記各機能をソフトウェア上で実現するため、または、各機能を実現するためのハードウェアを制御するためのコンピュータシステムを備えている。
具体的に、各種制御や演算処理を担うCPU(Central Processing Unit)と、ワークメモリの役割を担うRAM(Random Access Memory)と、上記各機能を実現するための専用のプログラムやプログラムの実行に必要なデータ等を記憶するROM(Read Only Memory)と、各構成要素にデータを伝送するためのデータ伝送用バスとを備えている。
Further, although not shown, the linear elastic modulus measuring apparatus 100 of the present embodiment includes a computer system for realizing the above functions on software or for controlling hardware for realizing the functions. Yes.
Specifically, a CPU (Central Processing Unit) responsible for various controls and arithmetic processing, a RAM (Random Access Memory) responsible for work memory, and a dedicated program for realizing the above functions and program execution are required. ROM (Read Only Memory) for storing various data and the like, and a data transmission bus for transmitting data to each component.

(線形弾性率測定処理)
次に、図4に基づき、線形弾性率測定装置100において実行される線形弾性率測定処理の処理手順を説明する。図4は、線形弾性率測定処理の処理手順の一例を示すフローチャートである。
図4に示すように、まず、ステップS100に移行し、ゲイン調整手段5aにおいて、増幅器5bの線形速度フィードバックゲインGlinを初期値に設定する。その後、ステップS102に移行する。この初期値は、例えば、零など、任意に設定することができる。
ステップS102では、自励発振検出手段9において、振動体1が振動(自励発振)したか否かを判定し、振動したと判定した場合(Yes)は、振動を検出したことを示す信号を演算器10に供給して、ステップS104に移行する。一方、振動していないと判定した場合(No)は、振動をしていないと検出したことを示す信号をゲイン調整手段5aに供給して、ステップS108に移行する。
(Linear elastic modulus measurement process)
Next, based on FIG. 4, the process procedure of the linear elasticity measurement process performed in the linear elasticity measurement apparatus 100 is demonstrated. FIG. 4 is a flowchart illustrating an example of a processing procedure of linear elastic modulus measurement processing.
As shown in FIG. 4, first, the process proceeds to step S100, and the linear velocity feedback gain G lin of the amplifier 5b is set to an initial value in the gain adjusting means 5a. Thereafter, the process proceeds to step S102. This initial value can be arbitrarily set, for example, zero.
In step S102, the self-excited oscillation detecting means 9 determines whether or not the vibrating body 1 has vibrated (self-excited oscillation). If it is determined that the vibrating body 1 has vibrated (Yes), a signal indicating that vibration has been detected is output. Then, the operation unit 10 is supplied to the arithmetic unit 10, and the process proceeds to step S104. On the other hand, if it is determined that there is no vibration (No), a signal indicating that the vibration is not detected is supplied to the gain adjusting means 5a, and the process proceeds to step S108.

ここで、振動体1が振動したか否かの判断は、例えば、振動変位x或いは振動速度dx/dtが予め設定したしきい値以上変化したときに、振動体1が振動したと判断するようにすればよい。また、これに限らず振動変位xからなる振動変位データに対しFFT(高速フーリエ変換)処理を行うこと等により、振動体1の振動振幅の周波数スペクトルを求め、単一発振周波数のスペクトルが発生したときに、振動体1が振動したと判断するようにしてもよい。   Here, whether or not the vibrating body 1 vibrates is determined, for example, when the vibration displacement x or the vibration speed dx / dt changes by a predetermined threshold value or more to determine that the vibrating body 1 has vibrated. You can do it. Further, the frequency spectrum of the vibration amplitude of the vibrating body 1 is obtained by performing FFT (Fast Fourier Transform) processing on the vibration displacement data including the vibration displacement x, and the spectrum of the single oscillation frequency is generated. Sometimes, it may be determined that the vibrating body 1 has vibrated.

ステップS104に移行した場合は、演算器10において、自励発振検出手段9からの振動を検出したことを示す信号に応じて、周波数検出部8から発振周波数fsを獲得し、ステップS106に移行する。
ステップS106では、演算器10において、ステップS104で獲得した発振周波数fsから発振角周波数ωsを演算し、この発振角周波数ωsを2乗してωs 2を演算する。さらに、このωs 2に振動体1の質量Mを乗算して、線形弾性率klinを演算し、一連の処理を終了する。
When the process proceeds to step S104, the computing unit 10 obtains the oscillation frequency f s from the frequency detection unit 8 in accordance with the signal indicating that the vibration from the self-excited oscillation detection means 9 is detected, and the process proceeds to step S106. To do.
In step S106, the calculator 10 calculates the oscillation angular frequency omega s from acquired oscillation frequency f s in step S104, calculates the omega s 2 by squaring the oscillation angular frequency omega s. Furthermore, this ω s 2 is multiplied by the mass M of the vibrating body 1 to calculate the linear elastic modulus k lin , and the series of processes is completed.

一方、ステップS102において、振動(自励発振)が検出されずに、ステップS108に移行した場合は、ゲイン調整手段5aにおいて、自励発振検出手段9からの振動していないと検出したことを示す信号に応じて、増幅器5bに設定された現在の線形速度フィードバックゲインGlinを予め設定されたΔgだけ増加させる。その後、ステップS102に移行する。なお、線形速度フィードバックゲインGlinは連続的に変化させてもよいし予め設定した変化量毎に変化させてもよい。 On the other hand, if the vibration (self-excited oscillation) is not detected in step S102 and the process proceeds to step S108, it indicates that the gain adjusting means 5a detects that no vibration is generated from the self-excited oscillation detecting means 9. In response to the signal, the current linear velocity feedback gain G lin set in the amplifier 5b is increased by a preset Δg. Thereafter, the process proceeds to step S102. The linear velocity feedback gain G lin may be continuously changed or may be changed for each preset change amount.

つまり、上記ステップS102で振動体1が振動したと判断されるまでの間、ステップS102及びステップS108の処理を繰り返し行って線形速度フィードバックゲインGlinを増加させ、振動体1が振動したときにステップS102からステップS104に移行する。そして、この時点における振動体1の振動周波数を発振周波数fsとして獲得する。 That is, until it is determined in step S102 that the vibrating body 1 has vibrated, the processes of step S102 and step S108 are repeated to increase the linear velocity feedback gain G lin , and the step is performed when the vibrating body 1 vibrates. The process moves from S102 to step S104. Then, the vibration frequency of the vibrating body 1 at this time is acquired as the oscillation frequency f s .

なお、「Δg」は、線形速度フィードバックゲインGlinを「Glin+Δg」に維持したときに、振動体1の振動変位xから発振周波数fsを検出することのできる程度の比較的小さい値に設定する。「Δg」が大きくなると線形速度フィードバックゲインGlinが大きくなり、振動体1の振動振幅が大きくなる。その結果、振動体1の発振周波数fsが線形の固有振動数からずれてしまい、振動振幅のわずかな変化に依存して発振周波数fsが変動しやすくなる。これはすなわち、上式(5)中のωsの検出誤差が大きくなることになり、線形弾性率klinの算出精度が低下することになる。したがって、「Δg」は、できるだけ小さな値が好ましい。 Note that “Δg” is a relatively small value such that the oscillation frequency f s can be detected from the vibration displacement x of the vibrating body 1 when the linear velocity feedback gain G lin is maintained at “G lin + Δg”. Set. As “Δg” increases, the linear velocity feedback gain G lin increases and the vibration amplitude of the vibrating body 1 increases. As a result, the oscillation frequency f s of the vibrating body 1 deviates from the linear natural frequency, and the oscillation frequency f s tends to vary depending on a slight change in vibration amplitude. That is, the detection error of ω s in the above equation (5) becomes large, and the calculation accuracy of the linear elastic modulus k lin decreases. Therefore, “Δg” is preferably as small as possible.

(動作)
次に、図5に基づき、本実施形態の線形弾性率測定装置100の動作を説明する。
図5は、測定対象物である薄膜材料に本実施形態の線形弾性率の測定方法を適用した場合の線形弾性率測定装置100の装置構成の一例を示す図である。
図5(a)に示すように、測定対象物である線形弾性体は、固定された基板上に接着された薄膜材料であり、これに質量Mの振動体1が密着されている。振動体1は、針のような棒状体1aの一端に質量Mの立方体形状の構造物1bが設けられた構成となっており、この構造物1bの下端面が薄膜材料と密着した状態となっている。図5の例では、振動体1を自励振動させるアクチュエータ6として、ボイスコイルモータを採用し、ボイスコイルモータによって、薄膜材料がずり変形する方向に、力Fvを加えることができるように構成されている。
例えば、図5(a)に示す方向に力Fvを与えた場合は、この力Fvによる振動体1の変位によって、薄膜材料に、図5(b)に示す変位方向のずり変形が生じる。
(Operation)
Next, based on FIG. 5, operation | movement of the linear elastic modulus measuring apparatus 100 of this embodiment is demonstrated.
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a device configuration of the linear elastic modulus measuring apparatus 100 when the linear elastic modulus measuring method of the present embodiment is applied to a thin film material that is an object to be measured.
As shown in FIG. 5A, the linear elastic body as a measurement object is a thin film material adhered on a fixed substrate, and the vibrating body 1 having a mass M is in close contact therewith. The vibrating body 1 has a configuration in which a cubic structure 1b having a mass M is provided at one end of a rod-like body 1a such as a needle, and the lower end surface of the structure 1b is in close contact with the thin film material. ing. In the example of FIG. 5, a voice coil motor is employed as the actuator 6 for self-excited vibration of the vibrating body 1, and the force Fv can be applied in the direction in which the thin film material shears by the voice coil motor. ing.
For example, when the force Fv is applied in the direction shown in FIG. 5A, the displacement of the vibrating body 1 due to the force Fv causes shear deformation in the displacement direction shown in FIG.

なお、アクチュエータ6としてボイスコイルモータを用いることで、振動体1に対して、非接触で力Fvを与えることが可能である。振動体1の変位xは静電容量変位計(変位センサ2及び変位検出器3に対応)を用いて検出する。検出された変位信号(変位x)は、静電容量変位計に接続された振動速度演算器4に入力され、そこで振動体1の振動速度dx/dtが演算される。演算されたdx/dtは、増幅器5bに入力され、そこで、振動速度dx/dtに線形速度フィードバックゲインGlinを乗算して、算出したGlin・dx/dtをフィードバック制御信号Fsとして、ボイスコイルモータの制御回路(ドライバ7に対応)に供給する。また、静電容量変位計からの変位信号は、静電容量変位計と接続された周波数カウンタ(周波数検出部8に対応)へ入力され、振動体1の振動周波数fsが検出される。 Note that by using a voice coil motor as the actuator 6, it is possible to apply a force Fv to the vibrating body 1 in a non-contact manner. The displacement x of the vibrating body 1 is detected using a capacitance displacement meter (corresponding to the displacement sensor 2 and the displacement detector 3). The detected displacement signal (displacement x) is input to the vibration speed calculator 4 connected to the capacitance displacement meter, where the vibration speed dx / dt of the vibrating body 1 is calculated. The calculated dx / dt is input to the amplifier 5b, where the vibration speed dx / dt is multiplied by the linear speed feedback gain Glin , and the calculated Glin · dx / dt is used as the feedback control signal Fs to obtain the voice coil. This is supplied to the motor control circuit (corresponding to the driver 7). The displacement signal from the capacitance displacement meter is input to a frequency counter (corresponding to the frequency detection unit 8) connected to the capacitance displacement meter, and the vibration frequency f s of the vibrating body 1 is detected.

以下、図5(a)に示す装置構成の線形弾性率測定装置100の動作を説明する。
まず、測定を行う前に、振動体1の質量Mを精密に測定し、測定した質量Mをメモリ(RAM等)に記憶する。質量Mは、棒状体1aの一端に設けられた構造物1bの質量が、棒状体1aの質量に比して十分大きい場合、棒状体1aの質量を無視してもよい。但し、棒状体1aの質量も考慮することで、より正確な線形弾性率の測定が可能となる。メモリに記憶した質量Mは、自励発振の検出時に演算器10において用いられる。
Hereinafter, the operation of the linear elastic modulus measuring apparatus 100 having the apparatus configuration shown in FIG.
First, before the measurement, the mass M of the vibrating body 1 is accurately measured, and the measured mass M is stored in a memory (RAM or the like). If the mass M of the structure 1b provided at one end of the rod-shaped body 1a is sufficiently larger than the mass of the rod-shaped body 1a, the mass M may ignore the mass of the rod-shaped body 1a. However, more accurate linear elastic modulus can be measured by considering the mass of the rod-shaped body 1a. The mass M stored in the memory is used in the computing unit 10 when detecting self-excited oscillation.

次に、ゲイン調整手段5aによって、増幅器5bの線形速度フィードバックゲインGlinを初期値(小さな値)に設定し(ステップS100)、各構成機器の電源スイッチを入れる。これにより、測定が開始される。
ここで、測定開始の初期段階においては、振動体1が変位していないため、静電容量変位計で検出される変位xは「0」となり、振動速度dx/dtも「0」となる。ところが、実際は周囲環境の雑音等が影響して、変位xは「0」とならず、何らかの値を有する。従って、静電容量変位計ではこの変位xが検出され、振動速度演算器4では、この変位xから、振動速度dx/dtが演算される。この振動速度dx/dtは、増幅器5bに供給され、設定された線形速度フィードバックゲインGlinとdx/dtとが乗算されて、その乗算結果であるGlin・dx/dtがフィードバック制御信号Fsとしてボイスコイルモータの制御回路に入力される。
なお、自励発振の初期段階において、振動体1の変位が、周囲環境の雑音等だけでは静電容量変位計の検出下限を下回る場合は、予備的に、任意の周波数の振動を与える。つまり、振動体1を任意の一定周波数で振動させておく。
Next, the linear speed feedback gain G lin of the amplifier 5b is set to an initial value (small value) by the gain adjusting means 5a (step S100), and the power switch of each component device is turned on. Thereby, measurement is started.
Here, in the initial stage of the measurement start, since the vibrating body 1 is not displaced, the displacement x detected by the capacitance displacement meter is “0”, and the vibration speed dx / dt is also “0”. However, in reality, the displacement x does not become “0” due to the noise of the surrounding environment or the like, and has some value. Accordingly, the displacement x is detected by the capacitance displacement meter, and the vibration speed calculator 4 calculates the vibration speed dx / dt from the displacement x. The vibration speed dx / dt is supplied to the amplifier 5b, and the set linear speed feedback gain G lin and dx / dt are multiplied, and G lin · dx / dt as the multiplication result is used as the feedback control signal Fs. Input to the control circuit of the voice coil motor.
In the initial stage of self-excited oscillation, if the displacement of the vibrating body 1 falls below the lower limit of detection of the capacitance displacement meter only with ambient noise or the like, vibration of an arbitrary frequency is given in advance. That is, the vibrating body 1 is vibrated at an arbitrary constant frequency.

制御回路は、増幅器5bから受信したGlin・dx/dtに基づき、振動体1の振動速度dx/dtに比例した力Fvを振動体1に与えるためのボイスコイルモータの駆動信号を生成し、生成した駆動信号をボイスコイルモータに供給する。ボイスコイルモータは、この駆動信号に応じて駆動し、振動体1に力Fvを与える。このようにして、フィードバックループが形成されると共に、ボイスコイルモータに、振動体1の振動速度に比例した力Fvが与えられる。一方、静電容量変位計からの変位信号は随時周波数カウンタに供給され振動体1の振動周波数が検出される。 Based on G lin · dx / dt received from the amplifier 5b, the control circuit generates a drive signal for the voice coil motor for applying a force Fv proportional to the vibration speed dx / dt of the vibrating body 1 to the vibrating body 1, The generated drive signal is supplied to the voice coil motor. The voice coil motor is driven according to this drive signal and applies a force Fv to the vibrating body 1. In this way, a feedback loop is formed, and a force Fv proportional to the vibration speed of the vibrating body 1 is applied to the voice coil motor. On the other hand, the displacement signal from the capacitance displacement meter is supplied to the frequency counter as needed to detect the vibration frequency of the vibrating body 1.

また、自励発振検出手段9では、静電容量変位計から供給される変位信号に基づき、振動体1の振動変位xと予め設定されたしきい値とを比較し、この比較結果に基づき、振動体1が振動したか否かを判定する(ステップS102)。これにより、変位xがしきい値未満であり、振動体1が振動していないと判定された場合(ステップS102のNo)、ゲイン調整手段5aに振動していないと検出したことを示す信号を入力する。これにより、ゲイン調整手段5aは、増幅器5bの線形速度フィードバックゲインGlinをΔgだけ増加する(ステップS108)。この増加処理は、振動してないと検出したことを示す信号が受信される毎に実行される。 The self-excited oscillation detecting means 9 compares the vibration displacement x of the vibrating body 1 with a preset threshold value based on the displacement signal supplied from the capacitance displacement meter, and based on the comparison result, It is determined whether or not the vibrator 1 vibrates (step S102). Thereby, when it is determined that the displacement x is less than the threshold value and the vibrating body 1 is not vibrating (No in step S102), a signal indicating that the gain adjusting means 5a has detected that it is not vibrating. input. Thus, the gain adjusting unit 5a increases the linear velocity feedback gain G lin of amplifier 5b by Delta] g (step S108). This increase process is executed each time a signal indicating that it has been detected that no vibration has occurred is received.

このようにして、線形速度フィードバックゲインGlinを徐々に大きくしていくと、やがて、線形速度フィードバックゲインGlinが、上式(3)で示した粘性項の比例定数Clinを超え、自励発振が発生する。つまり、自励発振検出手段9において、変位xがしきい値以上となり、振動体1が自励振動したと判定される(ステップS102のYes)。そして、自励振動したと検出したことを示す信号が演算器10に入力される。 In this way, when gradually increasing the linear velocity feedback gain G lin, eventually, beyond the linear velocity feedback gain G lin is the proportionality constant C lin of viscosity term shown in the above equation (3), self-excited Oscillation occurs. That is, in the self-excited oscillation detection means 9, it is determined that the displacement x is equal to or greater than the threshold value and the vibrating body 1 has self-excited vibration (Yes in step S102). Then, a signal indicating that the self-excited vibration has been detected is input to the arithmetic unit 10.

演算器10では、自励振動したと検出したことを示す信号の受信に応じて、周波数カウンタから発振周波数fsを獲得し(ステップS104)、獲得した発振周波数fsと、メモリに記憶された質量Mとから、上式(5)に従って、薄膜材料の線形弾性率klinを演算する(ステップS106)。具体的に、自励発振時の周波数カウンタの測定値fsに2πをかけて、その二乗に質量Mを乗算して、薄膜材料の線形弾性率klinを求める。 The computing unit 10 acquires the oscillation frequency f s from the frequency counter in response to the reception of the signal indicating that the self-excited vibration has been detected (step S104), and the acquired oscillation frequency f s is stored in the memory. From the mass M, the linear elastic modulus k lin of the thin film material is calculated according to the above equation (5) (step S106). Specifically, the linear elastic modulus k lin of the thin film material is obtained by multiplying the measured value f s of the frequency counter during self-excited oscillation by 2π and multiplying the square by the mass M.

以上説明したように、本実施形態における線形弾性率の測定方法及び線形弾性率測定装置100であれば、線形弾性体に質量Mの振動体1を接触させた状態で、振動体1に当該振動体1の振動速度に比例した力Fvを与えることで、振動体1を自励振動させることが可能である。さらに、振動体1が自励振動したときの周波数fsと、振動体1の質量Mとに基づき、上式(5)に従って、線形弾性体の線形弾性率klinを演算することが可能である。 As described above, in the linear elastic modulus measuring method and the linear elastic modulus measuring apparatus 100 according to the present embodiment, the vibration body 1 is vibrated with the vibration body 1 having a mass M in contact with the linear elastic body. By applying a force Fv proportional to the vibration speed of the body 1, it is possible to cause the vibration body 1 to vibrate by itself. Furthermore, it is possible to calculate the linear elastic modulus k lin of the linear elastic body according to the above equation (5) based on the frequency f s when the vibrating body 1 is self-excited and the mass M of the vibrating body 1. is there.

これにより、測定対象物の粘性応力によるダンピングが大きい場合であっても、高精度かつ安定な線形弾性率を測定することが可能である。従って、本発明をレオメータなどに適用することで、粘稠な粘弾性体の弾性率を高精度に測定することが可能になる。また、例えば、内臓などの測定対象物の硬さを高精度に測定する装置を実現することも可能になる。   Thereby, even when the damping due to the viscous stress of the measurement object is large, it is possible to measure a highly accurate and stable linear elastic modulus. Therefore, by applying the present invention to a rheometer or the like, the elastic modulus of a viscous viscoelastic body can be measured with high accuracy. In addition, for example, it is possible to realize a device that measures the hardness of a measurement object such as an internal organ with high accuracy.

また、自励振動の初期段階において、振動体1の変位xが、変位センサの検出下限を下回るようなときに、振動体1に予備振動を与えることができるので、変位が検出されずに測定が行えなくなるような状況の発生を防ぐことが可能になる。
ここで、上記実施形態において、増幅器5b及びドライバ7が、フィードバック制御手段を構成し、振動速度演算器4が、振動速度検出手段を構成し、演算器10が、線形弾性率算出手段を構成する。
In addition, in the initial stage of self-excited vibration, when the displacement x of the vibrating body 1 is below the detection limit of the displacement sensor, preliminary vibration can be applied to the vibrating body 1, so that measurement is performed without detecting displacement. It is possible to prevent the occurrence of a situation where it becomes impossible to perform the operation.
Here, in the above-described embodiment, the amplifier 5b and the driver 7 constitute feedback control means, the vibration speed calculator 4 constitutes vibration speed detection means, and the calculator 10 constitutes linear elastic modulus calculation means. .

また、上記実施形態において、ステップS102が、振動体が自励振動したか否かを検出するステップに対応し、ステップS108が、線形速度フィードバックゲインを変化させるステップに対応する。
また、上記実施形態において、ステップS104〜S106が、線形弾性率を算出するステップに対応する。
In the above embodiment, step S102 corresponds to the step of detecting whether or not the vibrating body has self-excited, and step S108 corresponds to the step of changing the linear velocity feedback gain.
Moreover, in the said embodiment, step S104-S106 respond | corresponds to the step which calculates a linear elastic modulus.

(変形例)
上記実施形態において、測定対象物である線形弾性体に対してずり変形する方向の力を与える構成を例に挙げて説明したが、この構成に限らない。
例えば、線形弾性体に対して、引っ張り方向、圧縮方向等の他の方向に変形する力を与える構成としてもよい。
また、上記実施形態において、線形弾性体として薄膜状の固体材料に適用した例を説明したが、固体材料に限らず、例えば、流体等の他の線形弾性体に適用することも可能である。
(Modification)
In the above-described embodiment, the configuration in which the force in the direction of shear deformation is applied to the linear elastic body that is the measurement object has been described as an example, but the configuration is not limited thereto.
For example, it is good also as a structure which gives the force which deform | transforms into other directions, such as a tension | pulling direction and a compression direction, with respect to a linear elastic body.
Moreover, in the said embodiment, although the example applied to the thin film-like solid material as a linear elastic body was demonstrated, it is also possible to apply not only to a solid material but other linear elastic bodies, such as a fluid, for example.

また、上記実施形態では、ゲイン調整手段を設けて、線形速度フィードバックゲインGlinを自動で変化させる構成としたが、この構成に限らず、手動で線形速度フィードバックゲインGlinを変化させる構成としてもよい。
また、上記実施形態は、本発明の好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、上記の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。また、上記の説明で用いる図面は、図示の便宜上、部材ないし部分の縦横の縮尺は実際のものとは異なる模式図である。
また、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
In the above embodiment, the gain adjusting means is provided and the linear velocity feedback gain Glin is automatically changed. However, the present invention is not limited to this configuration, and the linear velocity feedback gain Glin may be manually changed. Good.
The above embodiments are preferable specific examples of the present invention, and various technically preferable limitations are given. However, the scope of the present invention is described in particular in the above description to limit the present invention. As long as there is no, it is not restricted to these forms. In the drawings used in the above description, for convenience of illustration, the vertical and horizontal scales of members or parts are schematic views different from actual ones.
Further, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and modifications, improvements, and the like within the scope that can achieve the object of the present invention are included in the present invention.

本発明は、粘性応力によるダンピングが大きい場合であっても、高精度かつ安定な線形弾性率測定を実現する。この技術は、レオメータに応用されることで、粘弾性体の高精度な弾性率測定が可能になり、プラスチック製品、食品、医薬品などの研究開発に役立つ。また、内臓などの硬さを高精度に測定する装置を実現することも可能になる。   The present invention realizes highly accurate and stable linear elastic modulus measurement even when damping due to viscous stress is large. By applying this technology to a rheometer, it is possible to measure the elastic modulus of a viscoelastic body with high accuracy, which is useful for research and development of plastic products, foods, pharmaceuticals, and the like. It is also possible to realize a device that measures the hardness of the internal organs with high accuracy.

100…線形弾性率測定装置、1…振動体、2…変位センサ、3…変位検出器、4…振動速度演算器、5a…ゲイン調整手段、5b…増幅器、6…アクチュエータ、7…ドライバ、8…周波数検出部、9…自励発振検出手段、10…演算器   DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Linear elastic modulus measuring apparatus, 1 ... Vibrating body, 2 ... Displacement sensor, 3 ... Displacement detector, 4 ... Vibration speed calculator, 5a ... Gain adjusting means, 5b ... Amplifier, 6 ... Actuator, 7 ... Driver, 8 ... Frequency detector, 9 ... self-excited oscillation detecting means, 10 ... operator

Claims (4)

測定対象物に接触させる振動体と、
当該振動体を自励振動させるアクチュエータと、
前記振動体の振動速度を検出する振動速度検出手段と、
前記振動速度検出手段で検出される前記振動速度を正帰還して、
Fs=Glin・(dx/dt)
ただし、Fs:フィードバック制御信号
lin:正値である線形速度フィードバックゲイン
x:振動体の変位
dx/dt:振動体の振動速度
で表されるフィードバック制御信号により前記アクチュエータをフィードバック制御するフィードバック制御手段と、を含む線形弾性率測定装置を用いた線形弾性率の測定方法であって、
前記フィードバック制御における前記線形速度フィードバックゲインを変化させるステップと、
前記振動体が自励振動したか否かを検出するステップと、
前記振動体が自励振動したことを検出したときの振動周波数に基づき、前記測定対象物の線形弾性率を算出するステップと、を含むことを特徴とする線形弾性率の測定方法。
A vibrating body in contact with the measurement object;
An actuator for self-exciting vibration of the vibrating body;
Vibration speed detecting means for detecting the vibration speed of the vibrating body;
Positive feedback of the vibration speed detected by the vibration speed detection means,
Fs = G lin · (dx / dt)
Where Fs: feedback control signal
G lin : Positive linear velocity feedback gain
x: Displacement of vibrating body
dx / dt: a feedback control means for feedback-controlling the actuator by a feedback control signal expressed by a vibration speed of a vibrating body, and a linear elastic modulus measuring method using a linear elastic modulus measuring device,
Changing the linear velocity feedback gain in the feedback control;
Detecting whether or not the vibrating body is self-excited,
Calculating a linear elastic modulus of the object to be measured based on a vibration frequency when it is detected that the vibrating body has self-excited, and a method for measuring a linear elastic modulus.
前記線形弾性率を算出するステップにおいて、
前記振動体の質量をM、前記振動体の振動周波数をfsとしたとき、前記測定対象物の線形弾性率klinを、
lin=ωs 2×M
ただし、ωs:2π×fs
から算出し、
前記振動周波数fsとして前記振動体が自励振動したことを検出したときの振動周波数を適用することを特徴とする請求項1に記載の線形弾性率の測定方法。
In the step of calculating the linear elastic modulus,
When the mass of the vibrating body is M and the vibration frequency of the vibrating body is f s , the linear elastic modulus k lin of the measurement object is
k lin = ω s 2 × M
However, ω s : 2π × f s
Calculated from
The method for measuring linear elastic modulus according to claim 1, wherein a vibration frequency when detecting that the vibrating body has self-excited vibration is applied as the vibration frequency f s .
前記線形弾性率測定装置は、前記振動体の変位xを検出する変位検出手段を備え、
前記振動体が自励振動を開始したときの初期段階における前記変位xが、前記変位検出手段の検出下限値を下回るときに、前記振動体を一定の周波数で予備振動させるステップを含むことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の線形弾性率の測定方法。
The linear elastic modulus measuring device includes a displacement detecting means for detecting the displacement x of the vibrating body,
Including pre-vibrating the vibrating body at a constant frequency when the displacement x in an initial stage when the vibrating body starts self-excited vibration is below a detection lower limit value of the displacement detecting means. The method for measuring linear elastic modulus according to claim 1 or 2.
測定対象物に接触させる振動体と、
当該振動体を自励振動させるアクチュエータと、
前記振動体の振動速度を検出する振動速度検出手段と、
前記振動速度検出手段で検出される前記振動速度を正帰還して、
Fs=Glin・(dx/dt)
ただし、Fs:フィードバック制御信号
lin:正値である線形速度フィードバックゲイン
dx/dt:振動体の振動速度
で表されるフィードバック制御信号により前記アクチュエータをフィードバック制御するフィードバック制御手段と、
前記フィードバック制御における前記線形速度フィードバックゲインを変化させるゲイン調整手段と、
前記振動体が自励振動したか否かを検出する自励発振検出手段と、
前記自励振動検出手段で前記振動体が自励振動したことを検出したと判定したときの振動周波数に基づき、前記測定対象物の線形弾性率を算出する線形弾性率算出手段と、を備えることを特徴とする線形弾性率測定装置。
A vibrating body in contact with the measurement object;
An actuator for self-exciting vibration of the vibrating body;
Vibration speed detecting means for detecting the vibration speed of the vibrating body;
Positive feedback of the vibration speed detected by the vibration speed detection means,
Fs = G lin · (dx / dt)
Where Fs: feedback control signal
G lin : Positive linear velocity feedback gain
dx / dt: feedback control means for feedback-controlling the actuator by a feedback control signal represented by the vibration speed of the vibrating body;
Gain adjusting means for changing the linear velocity feedback gain in the feedback control;
Self-excited oscillation detecting means for detecting whether or not the vibrator has self-excited,
Linear elastic modulus calculation means for calculating a linear elastic modulus of the measurement object based on a vibration frequency when the self-excited vibration detection means determines that it is detected that the vibrating body has self-excited vibration. A linear elastic modulus measuring device.
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